北京新机场：源自肥皂泡的灵感｜大象公会
扎哈遗作背后的建筑设计史脉络。
文｜游旭东
9月25日，北京大兴国际机场迎来首航，标志着该机场正式投入运营。
作为「扎哈遗作」，大兴机场航站楼的曲线式设计体现了已故英国建筑师扎哈·哈迪德强烈的个人风格，受到舆论的广泛关注和讨论。（参见往期文章《北京新机场：世界首席女建筑师的遗产和背影｜大象公会》） 其中最具识别度的「扎哈元素」，除了核心区和五个手指形廊道组成的酷似「凤凰展翅」航站楼外观，就是建筑内部的8根C形柱，支撑起了投影面积达18万平方米、重量超过3万吨的屋顶。 这些C形柱如同花朵一般，从屋顶自然延伸到地面。白天，阳光从天窗中倾泻而下，给人以开敞、通透、流动之感，令航站楼内基本可以做到不开灯。 不过，大兴机场并非扎哈的个人作品，C形柱也并非是这位伟大建筑师的独创。 扎哈的遗产 2011年，北京新机场航站楼建筑方案设计招标项目启动后，共有7家国际顶级建筑事务所及联合体的投标方案入围。 最后落成的新机场，是其中多方融合的产物：主体结构和运营机制上以ADPi方案为基础、建筑艺术上吸取扎哈投标方案的诸多造型元素、融合北建院与民航院联合体所提出的「二元式」布局概念，并采用双层出发车道边，是一套「设计、运营一体化」的综合建筑方案。 以下是来自不同国家的七种项目方案 ： 其中8根C形柱的设计，便是新机场建成方案吸收的「扎哈投标方案的诸多造型元素」之一。 扎哈·哈迪德事务所对C形柱的使用，可以追溯到在2013年建成的塞克勒蛇形画廊咖啡厅。 塞克勒蛇形画廊2013年9月28日开幕于伦敦肯辛顿花园。新开的蛇形画廊与原有的画廊相距仅7分钟路程，建筑前身是一座建于1805年的火药库，现在成了蛇形画廊的第二艺术空间。 在这个项目里，扎哈·哈迪德的设计包括对火药库的更新改造，同时在建筑一侧加建一个现代风格的咖啡厅。这也是扎哈·哈迪德继罗马MAXXI之后，在欧洲设计的第二个艺术空间建筑。 在扩建部分，扎哈·哈迪德实践了她们研究了很长时间的「曲线结构表面」——为了和原有的历史建筑形成对比，扩建的部分采用了21世纪典型的轻盈通透、富有动感的、当代特征鲜明的玻璃纤维织物膜屋顶，与平和稳重的古典建筑形成互补。 这个定制的玻璃纤维织物膜也是建筑承重结构的一个部分。同时，为了支撑屋顶中部的重量，提高建筑采光，在咖啡厅内部开创性的设计了五根C形柱。 C形柱是一种单侧开放，顶部开口的倒锥形屋顶支撑形式，因截面呈C形而得名，其形体如同倾倒而下的牛奶，塑造流动性的同时，上方的开口为室内提供了充足的光源，解决了建筑的日间采光。 此外，C形柱外形丰富了建筑屋顶的空间层次，让人联想到细胞结构的造型。 虽然塞克勒蛇形画廊只是一个不到一千平米的小项目，但这个项目验证了C形柱作为屋面支撑结构的可行性。 北京新机场的项目设计引入扎哈·哈迪德事务所之后，C形柱的设计也随之进入了新机场。 不过要了解C形柱在建筑设计中的原型，还需要再向前追溯，从另一位著名建筑师说起。 弗雷·奥托的肥皂泡 首先开创了C形柱的，是德国建筑师弗雷·奥托。 奥托1925年5月31日出生在德国的西格玛，在柏林长大。二战期间，弗雷·奥托在纳粹空军中担任飞行员，在纽伦堡附近被俘，在法国沙特尔度过了两年战犯生涯。 战俘营时期，弗雷·奥托担任建筑师，学会了使用手头极为简单的材料建造不同的建筑结构。 2015年，弗雷·奥托因其轻盈通透的帐篷式建筑结构，以及其他独树一帜的工程作品被授予普利兹克奖。 普奖评委评价弗雷·奥托时说：「他从大自然及其机制中发现灵感，寻求以使用最少物料和能量的方式来包围和覆盖空间。早在可持续发展被正式提出之前，他就已开始实践并推进这一理念。他的灵感来自于自然现象——无论是鸟类头骨、肥皂泡沫，还是蜘蛛网。」 比起建筑师，奥托本人更愿意将自己看作自然科学家，相较钢筋水泥，奥托近似偏执地从自然形态中寻找灵感。 在他的设计原型里，出现最多的是肥皂泡。在他看来，肥皂泡能自然延展以达到所谓的「最小曲面」，膜材料在所有方向的受力是均等的，它的形式遵从自己的规律，并不以设计者的意志为转移，形式和结构在此形成了一个不可分的整体，共存于不可变的形体中。 1997年，弗雷·奥托和Christoph Ingenhoven一同参与了德国斯图加特火车站翻新工程的设计竞赛，并最终获得了一等奖。 在这个方案中，奥托实践了自己基于肥皂泡的C形柱研究。 斯图加特原有的火车站建于19世纪，随着德国高速铁路的建设，原有的车站已经不能满足使用需求。 为了不破坏原有城市肌理，弗雷·奥托和Christoph Ingenhoven的方案是在原有的火车站底部12米建设一个新的高铁站。 为了实现地下车站良好的通风和采光，在支撑站台屋顶的结构上，弗雷·奥托开创性的使用了C形柱的设计，从而保证车站能够实现「零能耗」，不需要加热，冷却或机械通风。 同时，开敞的屋顶结构也为市民创造了一个别样的广场空间。 当然，创新的结构设计也为施工带来了很大的难题，从1997年设计竞赛开始，车站经过了漫长的讨论和结构论证，目前，这座建筑仍未完工。 此外，火车站也和德国柏林的新机场（勃朗登堡机场）一样，遭遇到了严重的预算超支。 1997年，弗雷·奥托和ChristophIngenhoven拿下设计订单时，德铁、联邦、巴符州和斯图加特市政府所预计的工程造价仅约合25亿欧元；等到2004年的经济可行性测算中，德铁便已经发现，工程造价可能高出此前预计。 此后，预估造价一路飙升，到2009年已经翻了一倍，达到50亿欧元，而2016年德国联邦审计局给出的预计数字是100亿欧元。 由于地下岩层构成复杂以及对于铁轨建设的要求不断提升，斯图加特新火车站的造价仍有上升的可能。 更大的C形柱 回到大兴机场航站楼项目里，为了塑造大跨度的无阻碍空间，中央大厅里6组共8根C形柱支撑起了核心区域180m直径的无柱空间，负重超过3万吨。 这些C形柱既是结构体，也是光源，同时也是内部和屋顶连接的核心空间要素。 由于更大的体量和规模，大兴机场的C形柱比斯图加特火车站和塞克勒蛇形画廊咖啡厅拥有更强的流动性，建筑内部与屋顶的联系也得以加强。 在结构类型上，由于体量的变化，航站楼的C形柱按位置和柱底标高的不同分为4 类：C1，C2，C3，C4，每类两根柱关于南北中轴线对称。 不同类型的C形柱尺度也不同，最高的C形柱为C3柱，支承在首层地面，柱高为38. 5m；最矮的C 形柱为C2 柱，支承在4 层地面，柱高为19.8m。 在北京市建筑设计研究院有限公司机场项目结构工程师束伟农， 朱忠义， 祁跃等撰写的《北京新机场航站楼结构设计研究》一文中，对C形柱的可靠性有过详细的分析。 经过他们的计算，C1柱竖向极限承载能力系数为3. 89，C2柱为3. 25，C3柱为3. 9，C4 柱为4. 19。由此可以看出C形柱可作为可靠的竖向支撑构件。 同时通过比较各C形柱的水平承载能力及其在罕遇地震作用下所承担的地震力，最小的倍数为3.71倍，满足大震弹性的性能目标，当C形柱达到竖向极限承载力时，C形柱的破坏位置均位于C形柱顶部与屋顶网架连接位置，因斜腹杆受压屈曲而达到极限承载力。C形柱顶部由于受到相邻支承筒、幕墙柱等竖向构件的约束，有效限制了C形柱的扭转变形，在水平荷载下，C形柱的破坏以理想的整体压弯破坏为主。 由此可见，C形柱可作为中央大厅屋顶钢结构有效的支承结构使用。 此外，在北京工业大学建筑工程学院教授张爱林等撰写的《北京新机场航站楼C3和C5型柱体系整体稳定分析》一文中，也认为C 型柱具有良好的整体稳定性和承载能力。 不过，《北京新机场航站楼结构设计研究》一文也提到，由于本项目是C形柱第一次应用到如此大体量的建筑实践中，柱体的竖向和水平承载能力、抗连续倒塌能力和抗震能力较为特殊，现行规范、规程均未提及其设计方法。 施工中，由于大兴机场的C形柱最重的超过500吨，最轻的也达到200吨，同时底部最窄处仅3米，顶部倾斜之后最大跨度超过23米，钢结构的施工便成为了一个难题。 最终，施工单位在施工过程中采用了散拼方式，最后组成单元模块，并将钢构将整体提升，构成了目前的机场航站楼的屋顶结构。 与德国人相比，中国的建设效率显然要高得多。从2014年11月，法国ADPI拿下北京新机场T1航站楼设计项目到2019年9月机场交付使用，这一巨型项目仅耗时不到五年。 遗憾的是，不论是塞克勒蛇形画廊，还是北京大兴机场，在所有参与设计的单位发布的媒体稿件和学术文章中，均未提及弗雷·奥托对C形柱的研究，也未提及斯图加特新火车站工程在这一结构原型上的开创性贡献。 而作为凝聚创造力的工作，建筑设计的历史脉络当然也应该得到厘清，让人们从中了解创造者的贡献和遗产。 参考资料： [1] 北京新机场航站楼钢结构设计，《建筑结构学报》，束伟农，朱忠义，秦凯，张琳，梁宸宇， [2] 周忠发，王哲，王毅（北京市建筑设计研究院有限公司） [3] 北京新机场航站楼C3和C5型柱体系整体稳定分析，《建筑结构学报》。张爱林等（北京工业大学建筑工程学院） [4] 央视网视频 ，[中国新闻]探秘北京新机场“C型柱” 图片来源： 大兴机场1-11©Hufton+Crow 塞克勒蛇形画廊1-3 ©Luke Hayes 其他塞克勒蛇形画廊图片 ©ZHA 大兴机场C形柱结构示意1——来自 北京新机场航站楼 C3 和 C5 型柱体系整体稳定分析，《建筑结构学报》。张爱林等（北京工业大学建筑工程学院） 大兴机场C形柱结构示意2 ——来自 北京新机场航站楼钢结构设计，《建筑结构学报》，束伟农，朱忠义，秦凯，张琳，梁宸宇，周忠发，王哲，王毅（北京市建筑设计研究院有限公司） 斯图加特新火车站01-03 ©Achim Birnbaum 斯图加特新火车站方案 ©Ingenhoven Architects GmbH 弗雷·奥托 ©TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN （责任编辑：Aimee）
